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本研究从西安汤峪水库底泥中分离筛选出了两株高效反硝化细菌进行实验,研究了自养反硝化细菌的脱氮能力、脱氮途径、脱氮产物特性及各环境因素对反硝化细菌脱氮特性的影响以及生物膜反应器对于硝酸盐的去除特性,结果表明:(1)经生理生化特性、形态特征及16S rRNA序列分析鉴定,分离出的两株自养反硝化细菌可确定为假单胞菌属(Pseudomonas sp.H-117和Pseudomonas sp.H-118)。本实验设置了不同Mn(II):Fe(II)比(1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2和9:1)、温度(20 oC、25 oC、30 oC和35 oC)、pH(6.0、7.0、8.0和9.0)、电子供体:电子受体比(0.5:1、1.54:1和3.0:1)和n(NO3--N):n(NO2--N)比(0:10、2.5:7.5、5:5、7.5:2.5和10:0)等环境因素以研究生物脱氮特性,研究发现,菌株H-117和H-118在高Mn(II):Fe(II)比、30°C、pH 7.0、电子供体:电子受体比为3.0:1的条件下,反硝化效果最好。菌株H-118在n(NO3--N):n(NO2--N)比为5:5条件下反硝化效果最好,而菌株H-117在n(NO3--N):n(NO2--N)比为2.5:7.5条件下反硝化效果最好,表明菌株H-117能忍耐高浓度的NO2--N。(2)研究了铁锰复合电子供体自养反硝化的机制,扩增出了参与反硝化过程的血红素亚硝酸还原酶(nirS);经鉴定,反硝化产生的气体主要为氮气,并伴随少量N2O,说明完整的反硝化过程为:NO3--N→NO2--N→NO→N2O→N2;与此同时,经SEM和XRD分析鉴定,Mn(II)和Fe(II)作为电子供体,其最终产物为Fe OOH和MnO2。(3)反硝化动力学研究表明,细菌对NO3--N的利用符合传统意义上的Monod模型,其动力学参数最大去除速率(rmax)为0.4722 mg/(L·h),半常数(Ks)为20.01mg/L;细菌对NO2--N的利用符合自抑制模型,Edwards模型和Aiba模型都可以很好的拟合实验数据,尤其是Edwards模型,拟合得出最大去除速率rmax为0.242mg-NO2--N·L-1·h-1,半饱和常数KS为6.252 mg-NO2--N·L-1,抑制常数KI为23.288mg-NO2--N·L-1。(4)建立了自养生物膜反应器,利用响应曲面法设计实验,研究表明,以裕隆填料为载体的生物膜反应器在Fe(II):Mn(II)比为3.81,电子供体:电子受体比为2.62以及HRT为10.88 h等条件下,反硝化效率最高可达100%。以石英砂填料为载体的生物膜反应器在Fe(II):Mn(II)比为4.73,电子供体:电子受体比为1.92以及HRT为11.73 h等条件下,反硝化效率最高可达100%。动力学实验得到的动力学参数(f 1s1为0.53、f 2s1为0.03、f 1s0为0.31、f 2s0为0.20、μmax为0.015、Knitrate-N为6.33、Knitrite-N为2.95、KFe为21以及KMn为31.33)可以很好的拟合实验数据,结果表明,实验数据与动力学拟合结果具有很好的相关性。高通量测序结果表明:假单胞菌属((Pseudomonas sp.H-117和Pseudomonas sp.H-118)是自养生物膜反应器中的主要组成部分,并且,随着Fe(II):Mn(II)比的增加,假单胞菌属Pseudomonas的丰度也随之增加,这说明我们之前投加的生物菌剂H-118和H-117在整个反硝化过程中起着主导作用。(5)建立了混合营养型生物膜反应器,研究了有机碳和无机碳的不同比例对于反硝化细菌脱氮特性的影响(C无机碳/C有机碳=5:1、C无机碳/C有机碳=2.5:1、C无机碳/C有机碳=0.5:1),结果表明:NO3--N的去除率随着C无机碳/C有机碳比的降低而增加,这是由于在低C无机碳/C有机碳比的环境中,有机碳浓度较高,而高浓度的有机碳更有利于被反硝化细菌利用。在同时具有有机碳源和无机碳源的环境中,反硝化细菌更倾向于利用有机物作为碳源和电子供体。稳定期运行实验中,出水NO3--N基本被完全去除,出水的TOC值也保持在1mg/L以下,说明细菌在混合养反硝化过程中可完全利用环境中的有机碳进行反硝化。同时,三个实验组(S1、S2、S3)均检测到了假单胞菌属Pseudomonas,并且结果表明:随着环境中有机碳浓度的增加,假单胞菌属Pseudomonas的丰度也相应增加,这说明我们之前投加的生物菌剂Pseudomonas sp.H-118和Pseudomonas sp.H-117在整个反硝化过程中起着主导作用。